張進(jìn)岳

(集美工業(yè)學(xué)校 福建 廈門 361022)

0 引言

中職計算機(jī)實驗注重學(xué)生的實踐能力培養(yǎng),通常采用實驗相結(jié)合的方式,即教師先講解實驗操作流程,然后輔導(dǎo)學(xué)生逐步完成操作,讓學(xué)生掌握實驗操作的技能。中職計算機(jī)實驗的實驗科目多、實驗量大,有大量的專業(yè)實驗需要考慮。但中職實驗還面臨著很多實際問題,比如實驗設(shè)備老化和不足、實驗環(huán)境不夠安全等[1],采用虛擬化技術(shù)可以有效緩解這些問題。

虛擬化技術(shù)可以將同一設(shè)備虛擬出多個獨立的操作系統(tǒng)環(huán)境,實現(xiàn)資源共享。通過虛擬化技術(shù)也可以在同一臺設(shè)備上安全地進(jìn)行多個實驗[2],在中職校園都可以方便地進(jìn)行管理,同時避免實驗以及學(xué)習(xí)過程中的安全問題。因此,虛擬化技術(shù)可以在節(jié)省實驗設(shè)備成本的同時,提高實驗的靈活性和效率,并且提高學(xué)生的實驗體驗和能力。

虛擬化技術(shù)在實驗中的應(yīng)用不僅能夠解決實驗成功的問題,同時具有更多的優(yōu)勢。虛擬化技術(shù)模擬的整個實驗過程更加科學(xué)和規(guī)范,避免了實物過程中存在的安全隱患,提高了實驗質(zhì)量和安全性[3]。虛擬化技術(shù)還能夠為學(xué)生在實驗過程中提供更高水平的實驗體驗,增強學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和學(xué)習(xí)興趣。

1 虛擬化技術(shù)概述

虛擬化技術(shù)是指將一臺或多臺計算機(jī)或其他設(shè)備的功能、資源、接口等虛擬化,利用虛擬化層所提供的抽象層接口,使用戶可以在所有接口、特性和資源的幫助下,通過與虛擬層(軟件層)進(jìn)行交互,從而達(dá)到將一臺或多臺計算機(jī)、服務(wù)器等設(shè)備變成多臺虛擬計算機(jī)、虛擬服務(wù)器等設(shè)備的目的[4]。虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)可以充分利用計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)等資源,提高設(shè)備的使用效率,提高設(shè)備的安全性和可靠性,提升應(yīng)用系統(tǒng)的可移植性,降低應(yīng)用系統(tǒng)的成本。

2 虛擬化技術(shù)在中職計算機(jī)實驗中的應(yīng)用場景

虛擬化技術(shù)可以將一臺計算機(jī)分為多個虛擬硬件環(huán)境,每個環(huán)境可以模擬不同的操作系統(tǒng)和硬件環(huán)境,以達(dá)到節(jié)省資源、降低成本、提高效率等優(yōu)點。虛擬化技術(shù)在中職計算機(jī)實驗中的應(yīng)用場景包括:

(1)虛擬化技術(shù)在實驗環(huán)境中的應(yīng)用

計算機(jī)實驗需要豐富的實驗環(huán)境和操作體驗,使用虛擬化技術(shù)可以幫助學(xué)生快速搭建實驗環(huán)境,避免了實驗環(huán)境不統(tǒng)一帶來的難題。比如,VMware等[5]虛擬軟件可以將不同操作系統(tǒng)的環(huán)境在同一臺計算機(jī)上模擬出來,學(xué)生可以快速地切換環(huán)境,實驗不同的應(yīng)用,從而幫助學(xué)生更好地理解理論知識,開拓視野。

(2)虛擬化技術(shù)對計算機(jī)安全的保護(hù)

在計算機(jī)實驗中,虛擬化技術(shù)可以對計算機(jī)病毒和漏洞進(jìn)行防護(hù)和控制。計算機(jī)實驗中,學(xué)生容易在操作中不慎感染病毒,虛擬化技術(shù)能夠幫助遠(yuǎn)程回收或清洗虛擬環(huán)境,防止病毒的持續(xù)擴(kuò)散[6]。虛擬化技術(shù)還可以拓展病毒分析和安全實驗課,提升學(xué)生解決實際問題的能力,促進(jìn)實驗質(zhì)量的提升。

(3)虛擬化技術(shù)在教師管理上的應(yīng)用

虛擬化技術(shù)還提供了采用遠(yuǎn)程共享和監(jiān)控虛擬機(jī)環(huán)境的方式進(jìn)行實驗。教師可以輕松地控制整個實驗環(huán)境,避免了學(xué)生對計算機(jī)硬件的損壞和誤操作的風(fēng)險。在虛擬機(jī)內(nèi),教師可以進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和控制,實時監(jiān)控學(xué)生成績和學(xué)習(xí)情況,從而能夠及時進(jìn)行反饋和指導(dǎo),提高實驗效果。

(4)虛擬化技術(shù)在探索新技術(shù)上的應(yīng)用

虛擬化技術(shù)可以模擬不同的操作系統(tǒng)和硬件環(huán)境,在網(wǎng)絡(luò)攻擊環(huán)境和機(jī)器學(xué)習(xí)等特定的領(lǐng)域中進(jìn)行拓展實驗。在這樣的實驗中,學(xué)生可以進(jìn)行手動實驗,增強實踐能力和對實際環(huán)境的理解。這些實驗不僅可以挖掘?qū)W生的創(chuàng)新思維,提高學(xué)生的動手能力,還可以培養(yǎng)學(xué)生的分析和解決問題的能力。

(5)虛擬化技術(shù)在遠(yuǎn)程課程中的應(yīng)用

虛擬化技術(shù)還可以模擬不同的操作系統(tǒng)和硬件環(huán)境,在高并發(fā)和計算密集型的環(huán)境中進(jìn)行遠(yuǎn)程體驗式學(xué)習(xí)。使用虛擬化技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程課程教學(xué),可以讓學(xué)生在校園座位上進(jìn)行電腦維護(hù)、安全控制等實踐操作,提高學(xué)生的實踐能力和對計算機(jī)科學(xué)的理解。

3 虛擬化技術(shù)在各類實驗中的具體應(yīng)用

3.1 虛擬化技術(shù)在計算機(jī)組成原理實驗中的應(yīng)用

計算機(jī)組成原理是計算機(jī)科學(xué)中的重要基礎(chǔ)課程,作為學(xué)生掌握計算機(jī)硬件知識的重要途徑之一,實驗在其中的作用非常重要。虛擬化技術(shù)在計算機(jī)組成原理實驗中可以被廣泛應(yīng)用,其應(yīng)用場景包括虛擬機(jī)環(huán)境搭建、硬件實踐操作、性能分析等。教師們可以輕松地創(chuàng)建和分享虛擬機(jī)的環(huán)境,實現(xiàn)動態(tài)地對虛擬機(jī)的操作系統(tǒng)、硬件資源進(jìn)行修改,降低資源占用和管理成本的同時提高效率[7]。虛擬化技術(shù)可以幫助實現(xiàn)虛擬硬件環(huán)境并模擬具體的實際硬件環(huán)境,例如模擬ARM處理器的操作、設(shè)置CPU模擬器的操作、重新設(shè)計計算機(jī)操作系統(tǒng)、開發(fā)新硬件系統(tǒng)等,讓教師和學(xué)生更好地掌握計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的設(shè)計原理。

3.2 虛擬化技術(shù)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗中的應(yīng)用

虛擬化技術(shù)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗中的應(yīng)用可以幫助學(xué)生更好地了解計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本原理和實踐操作。通過使用虛擬化技術(shù)可以在一臺計算機(jī)上構(gòu)建多個虛擬機(jī),將它們聯(lián)接在一起,形成一個虛擬計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。在這種虛擬環(huán)境下,實驗者可以自由搭建各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如星型、環(huán)形、分布式等,比較真實地模擬出各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實驗中,虛擬化技術(shù)可以幫助教師和學(xué)生進(jìn)行漏洞攻擊和防御實驗,并通過觀察虛擬機(jī)攔截器的日志,來教授學(xué)生保護(hù)網(wǎng)站免受攻擊的知識。在路由器配置實驗中,虛擬化技術(shù)可以幫助快速配置虛擬路由器,并使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行實驗[8]。在虛擬化計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中,可以在各個虛擬機(jī)中部署各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù),如Web服務(wù)器、FTP服務(wù)器、DNS服務(wù)器等。實驗者可以通過無需物理設(shè)備的方式,模擬出各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)場景,在實驗過程中進(jìn)行功能測試和改進(jìn)。通過虛擬化技術(shù)的應(yīng)用,能夠幫助教師和學(xué)生構(gòu)建完善的實驗環(huán)境,讓學(xué)生更好地掌握計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的理論知識和實踐操作經(jīng)驗。

3.3 虛擬化技術(shù)在操作系統(tǒng)實驗中的應(yīng)用

虛擬化技術(shù)在操作系統(tǒng)實驗中的應(yīng)用可以幫助學(xué)生更好地理解操作系統(tǒng)的基本原理與實踐操作。通過創(chuàng)建虛擬機(jī)實驗環(huán)境,學(xué)生可以進(jìn)行多重進(jìn)程與多線程、內(nèi)存管理、系統(tǒng)調(diào)用、文件系統(tǒng)等實驗。虛擬化技術(shù)的應(yīng)用能夠讓學(xué)生更好地掌握操作系統(tǒng)理論知識和實踐操作經(jīng)驗[9-10]。首先,虛擬機(jī)環(huán)境可以隨時改變虛擬機(jī)的運行環(huán)境,以滿足各種不同的實驗需求。例如學(xué)生可以動態(tài)地改變內(nèi)存、磁盤、網(wǎng)絡(luò)等環(huán)境條件,來模擬真實的操作系統(tǒng)運行環(huán)境。其次,虛擬機(jī)環(huán)境可以提供多個隔離的操作系統(tǒng)副本。這樣,學(xué)生可以在虛擬機(jī)中同時運行多個操作系統(tǒng)實例,來學(xué)習(xí)多種操作系統(tǒng)原理和技術(shù)。同時,它也避免了多操作系統(tǒng)之間的沖突和干擾,保證了學(xué)習(xí)效果和實驗安全。不僅可以進(jìn)行多重進(jìn)程和多線程的操作,還可以實現(xiàn)內(nèi)存管理、系統(tǒng)調(diào)用、文件系統(tǒng)等多種功能。

3.4 虛擬化技術(shù)在數(shù)據(jù)庫實驗中的應(yīng)用

虛擬化技術(shù)在數(shù)據(jù)庫實驗中的應(yīng)用有助于增強學(xué)生對數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(database management system, DBMS)的概念和實踐理解。通過創(chuàng)建虛擬機(jī)實驗環(huán)境,學(xué)生可以對多個不同的DBMS進(jìn)行操作、測試和比較,掌握數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)的基本原理,如結(jié)構(gòu)化查詢語言編程、數(shù)據(jù)建模、查詢處理和分析。首先,虛擬化技術(shù)可以向?qū)W生提供高效而又靈活的實驗環(huán)境,各種類型的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)可以隨時被部署和管理。學(xué)生可以根據(jù)自身的學(xué)習(xí)進(jìn)度,選擇合適的虛擬機(jī)環(huán)境進(jìn)行實驗,模擬數(shù)據(jù)庫的各種場景,加深對DBMS的數(shù)據(jù)管理技能的學(xué)習(xí)和理解。其次,虛擬機(jī)可以實現(xiàn)對多種DBMS進(jìn)行操作和對比,既避免了更新數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)時數(shù)據(jù)備份的困難,又幫助學(xué)生嘗試和比較不同DBMS各自的優(yōu)缺點。如MySQL和Oracle都很受歡迎,但各自處理大量信息的特點和優(yōu)化技術(shù)有所不同。最后,虛擬化環(huán)境還可以實現(xiàn)對DBMS實驗場景的模擬和可視化,增加了操作場景的真實感。

4 中職計算機(jī)實驗中虛擬化資源分配和優(yōu)化問題

在虛擬化技術(shù)應(yīng)用研究中,資源分配和優(yōu)化問題一直是一個熱點和難點。當(dāng)虛擬環(huán)境中的任務(wù)負(fù)載變得越來越復(fù)雜,對資源的需求也越來越高,如何在不同的實驗場景中,合理地分配和調(diào)度資源,是一個迫切需要解決的問題。針對此問題,本文提出了一種利用遺傳算法來實現(xiàn)虛擬化資源優(yōu)化調(diào)度的方法。

遺傳算法是一種通用的優(yōu)化算法,用于解決組合優(yōu)化問題,它模擬了自然進(jìn)化的過程,用染色體來編碼問題的解空間,通過遺傳算子實現(xiàn)種群的選擇、交叉、變異等進(jìn)化過程,不斷優(yōu)化種群中的個體,最終找到問題的最優(yōu)解。基于遺傳算法的虛擬化資源調(diào)度方法,主要分為4個步驟,分別是個體編碼、適應(yīng)度函數(shù)、遺傳算子和停止條件。

(1)個體編碼:虛擬機(jī)作為調(diào)度的基本單位,采用二進(jìn)制編碼方式,將每個虛擬機(jī)的CPU、內(nèi)存、存儲大小以及網(wǎng)絡(luò)帶寬等資源轉(zhuǎn)換成0和1的編碼方式,構(gòu)成一個二進(jìn)制串作為個體。

(2)適應(yīng)度函數(shù):對每個個體計算適應(yīng)度函數(shù),通過量化函數(shù)的轉(zhuǎn)換,將優(yōu)化目標(biāo)轉(zhuǎn)化為個體適應(yīng)度值,即個體排名的權(quán)重,越優(yōu)秀的個體,其適應(yīng)度值越大。虛擬化資源調(diào)度方法中,遺傳算法是其中關(guān)鍵的算法之一,其適應(yīng)度函數(shù)的計算公式如式(1)所示:

(1)

其中,x為編碼后的虛擬機(jī)個體,n為編碼長度,m為虛擬機(jī)數(shù)量。ai表示第i個虛擬機(jī)的優(yōu)化目標(biāo)系數(shù),xi表示第i個虛擬機(jī)的二進(jìn)制編碼值。bj表示第j個指標(biāo)的優(yōu)化目標(biāo)系數(shù),Ej,x表示在當(dāng)前虛擬化系統(tǒng)資源條件下,第j個指標(biāo)的期望值。適應(yīng)度函數(shù)f(x)的計算公式可以量化優(yōu)化的目標(biāo),是在后續(xù)遺傳算子運算中進(jìn)行選擇和優(yōu)化的重要因素之一。

在虛擬化系統(tǒng)中,對CPU利用率、存儲利用率和網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率進(jìn)行優(yōu)化,需分別設(shè)定相應(yīng)的權(quán)重a1、a2、a3,并采集虛擬機(jī)的實時數(shù)據(jù),如CPU利用率、存儲利用率和網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率等。假設(shè)在當(dāng)前資源分配下,第j個虛擬機(jī)的CPU利用率、存儲利用率和網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率分別為cj、mj和bj,那么虛擬機(jī)個體x的適應(yīng)度函數(shù)可以表示為式(2):

(2)

式(2)中,n為虛擬機(jī)數(shù)量,xi表示第i臺虛擬機(jī)的二進(jìn)制編碼值,Ej,x表示在虛擬環(huán)境下,第j個指標(biāo)的期望值,如式(3)、式(4)、式(5)所示:

(3)

(4)

(5)

通過用適應(yīng)度函數(shù)計算虛擬化系統(tǒng)中每個虛擬機(jī)的適應(yīng)度,可以用遺傳算法有效地優(yōu)化虛擬化資源調(diào)度。

(3)遺傳算子:在進(jìn)化過程中應(yīng)用遺傳算子,包括選擇、交叉和變異3種操作。對于選擇操作,采用輪盤賭算法獲取優(yōu)秀的個體;對于交叉和變異操作,采用交叉操作實現(xiàn)2個個體的基因交換,變異操作則隨機(jī)對個體的某一位進(jìn)行取反操作。

(4)停止條件:當(dāng)種群遺傳迭代次數(shù)到達(dá)預(yù)設(shè)的最大值或者適應(yīng)度值達(dá)到一定閾值時,停止迭代,輸出最優(yōu)解。

通過以上4個步驟,可以得到一個高效的虛擬化資源調(diào)度方案。該方法具有許多優(yōu)點,如實現(xiàn)方式簡單易于理解,適應(yīng)性強,且求解結(jié)果可靠,而且可以動態(tài)地適用于不同的實驗場景中。

5 結(jié)語

本文基于虛擬化技術(shù)探討了其在中職計算機(jī)實驗中的應(yīng)用,從計算機(jī)組成原理、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫以及操作系統(tǒng)等實驗角度進(jìn)行了分析和論證。通過對相關(guān)實驗的案例分析和應(yīng)用比較,本文得出了虛擬化技術(shù)在中職計算機(jī)實驗中應(yīng)用的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。尤其是在網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫實驗中,虛擬化技術(shù)的應(yīng)用可以極大地降低實驗成本、提升實驗效率和安全性。同時,本文對未來虛擬化技術(shù)的發(fā)展趨勢和其在中職計算機(jī)實驗中的持續(xù)應(yīng)用進(jìn)行了展望和分析。虛擬化技術(shù)在中職計算機(jī)實驗中的應(yīng)用前景廣闊,對未來實驗?zāi)Ｊ降母母锖蛣?chuàng)新有著積極的推動作用。